不规则孤岛工作面开采矿震活动规律研究

以徐庄煤矿7197不规则孤岛工作面为研究对象,采用数值模拟方法,系统分析了7197工作面回采期间采场应力的演化规律,并结合不同回采阶段下4次方以上能级矿震的活动规律,分析得到以下结论:工作面回采前高应力集中主要发生三角煤柱边角区域,应力集中程度约为原岩应力的2~3倍;数值模拟分析得到材料道侧煤体应力集中程度要高于溜子道,但实际受断层构造和工作面孤岛结构的影响,溜子道的冲击危险性可能更高;通过大能量矿震活动规律分析可知,回采期间断层构造的影响是冲击危险防治的重点;大能量矿震显现区域与模拟高应力区呈现很好的对应性,回采期间应针对高应力区及时进行卸压解危。     

煤矿矿震类型及震动波传播规律研究

针对煤矿矿震分类缺乏定量化指标、矿震传播规律不清楚、危险性矿震难以判别等问题,综合采用数值模拟、理论分析及现场实测的方法,对煤矿矿震进行了分类,通过UDEC数值模拟再现了震动波在节理岩体中的传播过程,结合微震监测数据,统计分析了矿震震动波传播过程中质点峰值速度和震动波能量的衰减规律,初步探讨了危险性矿震判别方法。结果表明:煤矿矿震可分为采动破裂型、巨厚覆岩型和高能矿震型3种,其中高能矿震型又可细分为煤体内爆型、顶板失稳型和断层活化型。根据矿震是否对井下人员或设备造成危害,又可将矿震分为正常矿震和危险性矿震2大类。矿震震动波传播受多种因素影响,煤岩体中的不连续面对震动波传播作用明显。揭示了不连续面对震动波应力传递的阻断机制:当震动波传递的应力与原岩应力叠加超过不连续面强度时,不连续面发生破坏,出现一定位移,介质的不连续性阻断了震动波应力传播。矿震传播过程中,质点峰值速度与震动波能量之间具有内在联系,峰值速度、能量均与传播距离呈负指数型关系。实测表明:某矿区实体煤区域和采空区区域的质点震动速度吸收系数分别为0.003 75和0.007 6,震动波能量吸收系数分别为0.007 5、0.015 2,2种区域内震动波衰减差异明显,不连续面对震动波传播影响显著,验证了数值模拟的正确性。     

地垒构造区域内工作面矿震发生规律研究

为深刻揭示和总结地垒构造区矿震规律的特殊性,以东滩煤矿1305工作面为研究对象,采用力学计算、数值模拟和微震监测相结合的方法,分析地垒构造区垂直应力二次分布,微震信号反映出矿震的影响。结果表明:工作面开采距离EF93断层距离84 m和35 m时,EF93断层和EF32断层相继发生错动,容易诱发矿震;微震监测和数值模拟叠加结果显示出震源在工作面前方和采空区后方积聚,且主要集中在顶板硬岩和应力升高区,开采距离EF93断层80 m时,断层错动诱发高能矿震,验证了力学计算结果;地垒构造区开采震动能量和频次都升高,断层活化是影响震动增强的主因;地震活性系数b值与震动能量呈负相关性,大震发生之前往往经历"小震密集-平静-大震发生"的过程。     

采动影响下逆断层冲击地压矿震时空分布规律分析

为了分析开采扰动下逆断层冲击地压矿震活动时空分布规律,根据G-R地震活动幂次分布规律,结合现场微震监测数据与数值模拟方法,通过矿震活跃度b值以及地震矩值M 0对井下矿震活动分布规律以及高震级事件能量释放水平进行了分析。研究结果表明:在时间跨度上,井下矿震事件频次分布规律符合G-R分布规律,b值越小,高震级矿震事件在整个矿震事件中频次越高,对工作面冲击危险性影响越严重。b值受原岩应力、开采扰动、断层性质的影响:最大与最小主应力差值越大、开采速率越快、断层倾角越小、落差越大,b 值越小;逆断层地震矩M 0在空间分布上有着明显的差异性。靠近高位岩层附近断层面区域的地震矩值为整个断层面上的峰值区域,随着工作面不断逼近断层面,断层面上的高峰值区域会不断增大且向下部区域蔓延,使得整个断层面上的地震矩不断增大。断层面地震矩值的增大意味着可释放能量水平不断提高,对工作面造成的扰动也会更加剧烈,进一步增大冲击地压事故的危险性。     

地垒断层型矿震监测分析

为更有效地预防矿井掘进工作面过地垒断层期间矿震事故的发生,采用微震监测系统对工作面过地垒断层时的矿震活动规律进行了重点分区监测分析.当工作面接近地垒断层时,断层发生错动,矿井矿震活动频繁.当工作面处于断层线时,矿震震动能量和震动次数急剧升高.当工作面离开断层时,震动能量和震动次数迅速降低,维持在较低水平.     

采掘影响下断层活化产生矿震的力源分析及微震监测

受煤矿采掘活动影响,断层活化运动产生的矿震能诱发冲击矿压灾害。采用数值模拟手段研究了采掘影响下断层面上应力的分布规律,并对微震监测数据进行分析。研究结果表明,断层两盘接触面上由于岩层软硬性质的差异,最大主应力值也相应发生变化,存在最大主应力梯度;当采掘活动与断层距离减小时,最大主应力和最大主应力梯度增大,这是断层活化产生矿震的力源。微震震源的时空分布变化也说明采掘活动与断层的距离越近,微震事件越频繁,微震分布也越集中于断层附近,且微震事件的能量也越大,冲击矿压发生的事实也验证了研究成果的合理性。     

开采扰动下断层面库仑应力及诱发矿震时空演化特征

为研究煤矿开采扰动下断层面库仑应力演化特征及诱发矿震时空分布规律,基于赵楼矿1303综放工作面生产地质条件,理论分析了断层面库仑应力影响因素,采用数值模拟及岩石力学试验方法,探讨了逆断层下盘工作面向断层开采过程中,断层面不同位置库仑应力变化规律,并分析了现场矿震监测数据时间统计特征及震源空间分布规律。结果表明:开采扰动因素σx,σy,τxy(等于τyx),断层倾角θ及断层面摩擦因数μ综合决定了断层面库仑应力f,当开采扰动及断层摩擦因数确定时,取df/dθ=0可确定断层活化失稳最危险角;断层构造破坏了采动应力扰动圈的对称性及位移扰动圈的连续性;岩石力学试验及数值模拟结果均表明沿断层面岩层高位点先于低位点受到采动影响,且过断层前随断层与工作面距离减少,断层面活化失稳危险先升高后降低;工作面过断层前后,矿震日震动频次由20次/d上升至35次/d,而日震动平均能量由22 kJ下降至4 kJ,表明工作面过断层前高能量矿震较多,对围岩扰动剧烈,过断层后扰动较平缓;同时工作面过断层前后,断层面上矿震震源集中区由高层位岩层向低层位岩层转移。     

邻逆断层不规则综放工作面冲击危险性分析

针对邻逆断层不规则综放工作面冲击危险性高的问题,以赵楼煤矿1303不规则综放工作面为工程背景,工作面邻FZ14∠70°逆断层,分析了工作面冲击危险影响因素;结合采动应力、多因素叠加法划分了工作面冲击危险区域;并分析了矿震日累计能量、日累计频次及其空间分布特征。结果表明:工作面整体具有中等冲击危险性;断层、工作面扩面及厚硬岩层"见方"垮落是影响工作面冲击危险的主要因素;工作面回采距离为0~500 m时,矿震主要分布在采空区区域,日累计频次变化趋势与工作面超前应力基本一致,回采距离大于500 m后,矿震分布范围扩大,活动剧烈程度升高,而工作面超前应力变化不明显;工作面轨道巷侧矿震呈现高能量低频次特征,冲击危险性高;运输巷侧矿震呈现低能量高频次特征,冲击危险性低。     

过小断层破碎区冲击危险评价分析

以徐庄煤矿7197工作面f71150断层破碎区为研究对象,通过微震监测、CT反演等研究方法,系统分析了7197工作面过断层破碎区期间矿震活动规律与应力演化情况。研究得出以下结论:由于断层区顶板较为破碎,过断层期间小能量震动较为密集,大能量震动数量较少且矿震事件多发生于断层面和煤层顶板;CT反演云图显示断层区表现为低波速异常区,表明小断层破碎区具有较低的应力水平;根据动静载分析原理可知小断层破碎区具有一定的减弱弹性能过度集聚而降低冲击危险程度的作用;从现场实际回采过程情况可知,由于顶板较为破碎,因此控顶较为困难,容易出现冒顶、漏顶事故,应该做好充分的支护准备。     

深井巷道过断层群期间微震规律分析

为更有效地预防深部矿井掘进工作面过断层群期间冲击矿压事故的发生,采用微震监测系统对断层群区域煤岩体内微震活动进行了全时段监测。基于微震活动在能量释放与震动频次方面的变化特征,分析了断块活动聚集能量对冲击矿压的诱发影响,以及断层群区域人为采掘扰动影响下的微震活动变化规律。结果表明:断层群构造区域微震活动具有较高的不稳定性,随着掘进工作面逐渐临近,区域内每日震动释放总能量值起伏波动逐渐增大,最大能量值呈现快速攀升趋势;强烈微震活动发生前有一段弱震活动时期,弱震活动为强震再次发生起到蓄能作用。     

Analysis of faults stability with dynamic phenomena in the mine based on slide criterion and in-situ stress measurement

For the study on the relationship between the dynamic phenomena in the mining such as mine earthquakes, outburst and faults slide, firstly, double shear friction experiments of sandstone were made, and its slide criterion was suggested considering the viewing of engineering. Secondly, in order to study the stability of underground rock and zone of tectonic stress field, based on the analysis on distribution characteristic of initial rock stress measurements, the geology structural model was built and tectonic stress field was made a back-analysis by applying finite element method. The calculating results fit with the analysis result of earthquakes mechanism and the distribution characteristic of the measurements. The high stress regional centers station locates discontinuous zone of I level faults and is corresponding to underground earthquakes scene. From then it is certain that tectonic stress is the major origin and necessary condition of mine earthquakes. The instability slide of the faults is the main manifest and the mining activity is the leading factor. Beipiao fault has a dominate effect on other sub faults and tectonic stress area and is dynamical fountain of dynamic phenomena in the Beipiao Mines. Supported by the Project of China National “973” Program(2005CB221501); National Natural Science Foundation of China(50474010); Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education(20040147005)     

工作面过褶曲时微震活动规律研究

在煤矿的地质灾害构造中,褶曲构造是常常出现的,它是岩层在水平应力挤压下形成的,在高应力状态下褶曲内部聚集了大量的弹性能,当工作面过褶曲时,破坏了褶曲内部原来的应力状态,这必然导致矿震的发生。冲击矿压和矿山震动总是相伴而生,作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行。结合山寨矿微震系统监测到的矿震数据,通过对褶曲的力学分析和对波形的时谱分析,研究了工作面在过褶曲时的矿震活动规律。     

特大断面断层破碎带中锚注支护技术的应用

王庄煤矿7105风巷掘进期间突遇一落差为6.0 m断层,由于受断层破碎带的影响,巷道围岩松散破碎范围大,裂隙发育。如采用工字钢配合巷道原有锚网索联合支护方式,不仅支护成本很高,而且在很大的构造应力的作用下,巷道很难保证长期稳定,容易导致边回采、边维修的被动局面,甚至对矿井安全生产造成严重威胁。因此必须寻求新的支护体系以期解决这一难题。锚注支护就是针对节理、裂隙发育、断层破碎带等松散、破碎情况,利用锚杆注浆技术,改变围岩结构,提高围岩力学参数和整体性,能够切实解决巷道掘进过程中顶板破碎问题,实践证明效果显著。     

自然崩落法开采过程中底部结构稳定性规律研究

采用应力、位移手段,并结合开采过程中底部结构岩体破裂裂隙宏观现象统计情况,综合对普朗铜矿矿区回采过程中底部结构稳定性规律进行研究,得出该地质条件下拉底推进过程对底部结构应力影响范围为推进线前后20m左右,同时基于应力与微震监测数据,得出底部结构开采过程中稳定性受断层影响较大,底部结构断层揭露线附近30m易诱发较大的应力集中,该范围内的岩体需要有针对性地进行二次支护。     

采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究

以义马矿区的F16大型逆冲断层为背景,结合断层影响下5个矿井的地质钻探和井下揭露情况搭建相似模型,在考虑断层面的分形特征和断层面两侧覆岩赋存特征的基础上,综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统,研究采动影响下断层"活化"前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。研究表明:受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响,断层"活化"前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。断层"活化"前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板应力基本不受采动应力影响,声发射信号较弱。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值,声发射的总事件数和能率发生突变增加。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动,产生大量声发射信号。     

断层带软弱围岩变形特征及支护优化研究

断层附近软弱围岩变形特征的研究对于巷道支护优化和防止围岩大变形具有重要意义。本文以河南城郊煤矿为工程背景,对二水平西翼轨道大巷在掘进过程中断层带围岩表面位移、顶板离层、围岩松动圈分布进行了现场监测。结果表明:在巷道掘进卸压作用持续影响下,断层构造应力逐渐减弱,巷道变形速度随着掘进面的推进先增大后减小,断层带内巷道变形的主要作用力来自断层构造应力;深部围岩受断层构造的影响较大,裂隙较为发育,顶板处于不稳定状态,浅部围岩由于巷道开掘卸压离层量较小。断层附近松动圈受断层构造作用较大,围岩顶板出现大松动圈。本文结合地质条件和现场监测结果提出了U形钢与锚网索相互配合的支护优化方案。     

煤矿井下小断层的应力场分布数值模拟研究

从理论和数值模拟两方面分析了煤矿井下断层的力学特征,给出构造应力场的微观解释,并根据断层形成的力学模型描述了主应力轴与剪断面的相互关系。在理论分析的基础上运用数值模拟软件FLAC3D分别建立不同角度的断层,并对断层面附近应力场进行了模拟,得到断层端部应力集中程度、断层中部应力、原岩应力、断层倾角等因素的相互关系。对理论分析和模拟结果进行了对比,并根据煤与瓦斯突出综合假说,结合贵州某矿实例分析了断层附近突出高发的原因和应对策略。     

Experimental study on the mechanisms of fault reactivation and coal bumps induced by mining

Experiments simulating the effect of coal mine stopping through a fault zone were designed based on a working face of the Qianqiu coal mine in Yima, China. Through simulation of the physical process of fault reactivation and coal bumps, the displacement of the surrounding strata and evolution characteristics of fault stress under the effect of mining were studied. The mechanism of fault reactivation induced by coal mining was analyzed. The results show that shortly before fault reactivation, the normal stress and shear stress increased rapidly and the risk of a fault slip occurring was also increased. The fault reactivation, caused by the mining activity, occurred when the working face was 25–35 m from the fault along the hanging wall. The influence of mining increased the possibility of fault reactivation, while the local failure of the bearing capacity of the working face was the direct cause of the fault slip. Our results indicate that the influence of fault slip on the coal of the working face had a transient impact and acted as a loading-unloading function.     

构造区域应力场与煤与瓦斯突出区域预测

以地质动力区划方法划分的Ⅴ级活动断裂为构造格架,结合地应力测量,进行区域构造应力场数值模拟,从而确定区域岩体应力分布规律。结果表明:煤矿区域原岩应力分布状态主要受断裂构造的支配,断裂构造的叠加扰动使原岩应力场重新分布,从而在时间和空间上制约着煤与瓦斯突出的区域性分布。并对矿井开采所引起的煤与瓦斯突出危险性作出评估和预测,拓宽了煤与瓦斯突出预测途径。     

会泽铅锌矿深部开采岩爆影响因素分析

云南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿是我国一个1000m深井矿山,该深井硬岩矿山开采的基本问题要素就是高地应力、构造发育.阐述了矿山的基本地质条件.通过现场调查,发现深部开采岩爆影响的主要因素是由于工程岩体性质和人工开挖引起应力重分布所致,描述了岩爆特征,总结了发生岩爆的基本规律,为建立微震监测系统提供了基本资料,同时为选择合理的采矿方法和岩爆控制技术措施提供了重要依据.